混合儲(chǔ)能平抑風(fēng)電功率的方法研究

田凱，徐長(zhǎng)奎

哈爾濱工程大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院，黑龍江哈爾濱 150001

混合儲(chǔ)能平抑風(fēng)電功率的方法研究

田凱，徐長(zhǎng)奎

哈爾濱工程大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院，黑龍江哈爾濱 150001

由于風(fēng)速變化的隨機(jī)性，風(fēng)電場(chǎng)的輸出功率波動(dòng)性較大，導(dǎo)致風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)會(huì)對(duì)電力系統(tǒng)穩(wěn)定性造成影響。為了克服風(fēng)電輸出的波動(dòng)性問題，提出一種基于混合儲(chǔ)能裝置平抑風(fēng)電功率波動(dòng)的控制方法。首先，對(duì)風(fēng)電輸出波動(dòng)功率進(jìn)行分解，針對(duì)波動(dòng)功率的特點(diǎn)選擇蓄電池和超級(jí)電容作為儲(chǔ)能裝置；其次，設(shè)計(jì)儲(chǔ)能系統(tǒng)的運(yùn)行控制方式，使其能與風(fēng)電場(chǎng)進(jìn)行快速的功率交換，使得風(fēng)電場(chǎng)輸出功率跟蹤發(fā)電指令；最后，在MATLAB／SIMULINK環(huán)境下進(jìn)行仿真驗(yàn)證。仿真結(jié)果表明該方法能夠有效地平抑處理風(fēng)電場(chǎng)輸出波動(dòng)功率，使得風(fēng)電場(chǎng)輸出功率穩(wěn)定地跟蹤發(fā)電指令，蓄電池和超級(jí)電容各自發(fā)揮優(yōu)勢(shì)，延長(zhǎng)了蓄電池使用壽命。

風(fēng)力發(fā)電；混合儲(chǔ)能；蓄電池；超級(jí)電容；功率平抑

能源和環(huán)境是當(dāng)今人類所面臨的重要問題，新能源的并網(wǎng)運(yùn)行受到各國(guó)重點(diǎn)關(guān)注，特別體現(xiàn)在風(fēng)能和太陽能并網(wǎng)運(yùn)行中。由于風(fēng)能的不可控性，功率輸出具有波動(dòng)性。因此，風(fēng)力發(fā)電的并網(wǎng)運(yùn)行給電網(wǎng)帶來一定影響，尤其是給調(diào)度部門工作提高難度［1］。

處理風(fēng)電輸出功率波動(dòng)性的方法有許多，文獻(xiàn)［2］采用變速變槳距方法對(duì)風(fēng)機(jī)輸出功率進(jìn)行調(diào)節(jié)。文獻(xiàn)［3］利用水電和火電的穩(wěn)定性對(duì)風(fēng)電出力波動(dòng)進(jìn)行補(bǔ)償。文獻(xiàn)［4］采用風(fēng)光互補(bǔ)的方法，利用風(fēng)能和太陽能分布的互補(bǔ)性，將二者聯(lián)合輸出，得到穩(wěn)定的功率輸出。文獻(xiàn)［5］研究了蓄電池削減風(fēng)電輸出峰谷差，提高風(fēng)電可靠性；文獻(xiàn)［6］提出利用飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)有效平緩風(fēng)電場(chǎng)有功功率輸出；文獻(xiàn)［7-8］提出將超導(dǎo)儲(chǔ)能裝置運(yùn)用在風(fēng)電輸出功率波動(dòng)平抑；文獻(xiàn)［9-10］提出基于超級(jí)電容儲(chǔ)能裝置對(duì)風(fēng)電并網(wǎng)功率平抑系統(tǒng)進(jìn)行建模和控制。在諸多儲(chǔ)能方式中，蓄電池儲(chǔ)能和超級(jí)電容器儲(chǔ)能技術(shù)較為成熟、對(duì)工作環(huán)境要求低、運(yùn)用范圍廣，在處理風(fēng)電功率波動(dòng)問題時(shí)十分實(shí)用，現(xiàn)如今已經(jīng)成為儲(chǔ)能裝置領(lǐng)域中的研究熱點(diǎn)。本文將根據(jù)湍流模型風(fēng)速研究，將波動(dòng)功率分解為穩(wěn)定波動(dòng)功率和尖峰波動(dòng)功率，針對(duì)其特點(diǎn)選取蓄電池和超級(jí)電容器作為儲(chǔ)能裝置，設(shè)計(jì)混合儲(chǔ)能系統(tǒng)，提出平抑風(fēng)電波動(dòng)功率的控制方法。該方法不僅可以實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)電波動(dòng)功率的平抑，而且可以克服單一蓄電池儲(chǔ)能的問題，延長(zhǎng)蓄電池的使用壽命，降低儲(chǔ)能系統(tǒng)維護(hù)成本。

1 風(fēng)功率分解及儲(chǔ)能裝置選取

風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)推動(dòng)風(fēng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)的是大氣邊界層內(nèi)的風(fēng)，主要運(yùn)動(dòng)形態(tài)為湍流，雷諾將湍流量分為平均分量和脈動(dòng)分量。因此將風(fēng)速v分解平均風(fēng)速分量和脈動(dòng)風(fēng)速風(fēng)量Δv。與之對(duì)應(yīng)，風(fēng)功率可分解為兩部分：

式中：波動(dòng)功率Pwave由Δv引起，指定功率Pref由引起，可預(yù)測(cè)性強(qiáng)。波動(dòng)功率Pwave可分為穩(wěn)定波動(dòng)功率Psteady和尖峰波動(dòng)功率Ppeak。穩(wěn)定波動(dòng)功率由幅值較小的Δv引起，有很大的能量，尖峰波動(dòng)功率由幅值大的Δv引起，幅值較大，能量波動(dòng)較小。

蓄電池具有能量密度大、循環(huán)壽命低的特點(diǎn)；超級(jí)電容器具有功率密度大、循環(huán)壽命長(zhǎng)、能量密度低的特點(diǎn)。針對(duì)波動(dòng)功率的能量特點(diǎn)，本文選取蓄電池和超級(jí)電容作為儲(chǔ)能裝置。

2 儲(chǔ)能系統(tǒng)

2.1 儲(chǔ)能系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)及原理

儲(chǔ)能系統(tǒng)在風(fēng)電場(chǎng)中應(yīng)用的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 儲(chǔ)能系統(tǒng)在風(fēng)電場(chǎng)中應(yīng)用結(jié)構(gòu)

儲(chǔ)能系統(tǒng)由蓄電池和超級(jí)電容器組成，通過三相整流／逆變器并聯(lián)在風(fēng)電場(chǎng)出口，圖中DC／DC（A）、DC／DC（B）分別為超級(jí)電容和蓄電池的控制器，風(fēng)電波動(dòng)功率Pwave作為控制系統(tǒng)誤差信號(hào)：

當(dāng)Pwave大于0時(shí)，儲(chǔ)能系統(tǒng)吸收能量；當(dāng)Pwave小于0時(shí)，儲(chǔ)能系統(tǒng)輸出能量，通過儲(chǔ)能系統(tǒng)的充放電來減弱風(fēng)電場(chǎng)輸出功率的波動(dòng)。

在控制儲(chǔ)能系統(tǒng)充放電的過程中，控制器采用雙向斬波器結(jié)構(gòu)，如圖2所示。

圖2 雙向斬波器結(jié)構(gòu)

蓄電池和超級(jí)電容的充放電控制器都是由雙向斬波器構(gòu)成，蓄電池和超級(jí)電容分別接在雙向斬波器DC／DC（B）和DC／DC（A）的低壓側(cè)。DC／DC（B）負(fù)責(zé)始終維持蓄電池充放電電流大小恒定，延長(zhǎng)蓄電池壽命。DC／DC（A）負(fù)責(zé)控制超級(jí)電容器與風(fēng)電場(chǎng)間能量交換，平抑的風(fēng)電波動(dòng)功率。

2.2 儲(chǔ)能系統(tǒng)特性分析

根據(jù)蓄電池和超級(jí)電容的特點(diǎn)，超級(jí)電容器可以用于平抑尖峰波動(dòng)功率Ppeak，蓄電池可以用于平抑穩(wěn)態(tài)波動(dòng)功率Psteady。

混合儲(chǔ)能系統(tǒng)由蓄電池和超級(jí)電容組合而成，儲(chǔ)能系統(tǒng)總?cè)萘繛镋whole，蓄電池容量為Ebat，超級(jí)電容容量為Ecap，三者之間關(guān)系如下：

系統(tǒng)能量密度可表示為

功率密度可表示為

式中：E′bat表示蓄電池能量密度；E′cap表示超級(jí)電容能量密度；P′bat表示蓄電池功率密度；P′cap表示超級(jí)電容的功率密度。

由于蓄電池具有能量密度大和功率密度小的特點(diǎn)，超級(jí)電容具有能量密度小和功率密度大的特點(diǎn)，得到以下結(jié)論：

綜上所述，儲(chǔ)能系統(tǒng)具有超級(jí)電容的高功率密度，同時(shí)具有蓄電池的高能量密度的特點(diǎn)，符合儲(chǔ)能系統(tǒng)處理波動(dòng)功率的要求。

3 儲(chǔ)能系統(tǒng)運(yùn)行方式

儲(chǔ)能系統(tǒng)控制框圖如圖3所示。

圖3 儲(chǔ)能系統(tǒng)控制框圖

3.1 儲(chǔ)能系統(tǒng)充放電控制器任務(wù)分配

將發(fā)電指令目標(biāo)Pref與實(shí)際功率Preal作比較：Pwhole的正負(fù)決定儲(chǔ)能系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)：當(dāng)Pwhole＞0時(shí)，系統(tǒng)蓄能；當(dāng)Pwhole＜0時(shí)，系統(tǒng)釋能。

DC／DC（A）任務(wù)是控制Pwhole，DC／DC（A）低壓側(cè)是超級(jí)電容端電壓Ucap，采用電流環(huán)控制方法，控制目標(biāo)為

DC／DC（B）任務(wù)是控制蓄電池充放電功率，控制目標(biāo)為蓄電池額定充放電電流。

3.2 儲(chǔ)能系統(tǒng)內(nèi)部功率控制任務(wù)分配

1）儲(chǔ)能系統(tǒng)平抑Ppeak

Ppeak幅值較大，但能量波動(dòng)較小，在平抑過程中需要儲(chǔ)能系統(tǒng)快速響應(yīng)，頻繁的完成充放電工作，因此超級(jí)電容器可以獨(dú)自承擔(dān)對(duì)Ppeak的平抑。此時(shí)，儲(chǔ)能系統(tǒng)內(nèi)部的功率關(guān)系為：

為完成功率分配任務(wù)，應(yīng)遵循超級(jí)電容優(yōu)先充放電的原則：設(shè)定超級(jí)電容最優(yōu)工作范圍為［Uopt_down，Uopt_up］，在最優(yōu)工作范圍內(nèi)，蓄電池停止充放電工作，超級(jí)電容單獨(dú)工作。

2）平抑Psteady時(shí)內(nèi)部功率分配

由于Psteady能量很大，需要系統(tǒng)大量能量吞吐，可能導(dǎo)致Ucap偏離最優(yōu)工作范圍。此時(shí)，蓄電池以額定電流進(jìn)行蓄能或者釋能，維持Ucap在最優(yōu)工作范圍。

調(diào)節(jié)Psteady時(shí)，儲(chǔ)能系統(tǒng)的內(nèi)部功率關(guān)系為

1）當(dāng)儲(chǔ)能系統(tǒng)與蓄電池同時(shí)都進(jìn)行能量存儲(chǔ)或者釋放時(shí)

Pcap的方向取決于｜Pwhole｜和｜Pbat｜的大小關(guān)系：｜Pwhole｜＞｜Pbat｜時(shí)，二者方向相同；當(dāng)｜Pwhole｜＜｜Pbat｜時(shí)，二者方向相反。

2）當(dāng)Pwhole和Pbat的方向相反時(shí)

Pbat和Pbat的方向相同。

實(shí)現(xiàn)方法：設(shè)定蓄電池停止對(duì)超級(jí)電容輔助的狀態(tài)工作點(diǎn)為

當(dāng)Ucap＞Uopt_up時(shí)，蓄電池需要吸收超級(jí)電容的能量，此時(shí)蓄電池以額定電流Irate充電，直到超級(jí)電容端電壓Ucap＝Uopt，蓄電池停止充電；當(dāng)Ucap＜Uopt_down時(shí)，蓄電池需要對(duì)超級(jí)電容釋放能量，蓄電池以額定電流Irate放電，直到Ucap＝Uopt，蓄電池停止放電。

4 仿真驗(yàn)證

為了驗(yàn)證理論的正確性，在MATLAB／SIMU-LINK環(huán)境下對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真，具體仿真參數(shù)如下：蓄電池容量為300 V／3 000 Ah，蓄電池充放電電流大小為1 200 A，電容選取100 F，初始電壓為600 V，最優(yōu)工作區(qū)域?yàn)椋?50 700］，電壓調(diào)整點(diǎn)580 V。

圖4中曲線為50 MW風(fēng)電場(chǎng)在一天中某個(gè)10 min的功率輸出數(shù)據(jù)，在此期間風(fēng)電場(chǎng)發(fā)電目標(biāo)為Pref＝1.5 MW，風(fēng)電場(chǎng)實(shí)時(shí)功率吞吐曲線如圖5所示。將2條曲線對(duì)比可見，二者具有互補(bǔ)性：當(dāng)Preal大于實(shí)時(shí)發(fā)電指令目標(biāo)Pref時(shí)，儲(chǔ)能系統(tǒng)吸收風(fēng)電場(chǎng)輸出的過多的能量，Pwhole＜0；當(dāng)Preal小于Pref時(shí)，儲(chǔ)能系統(tǒng)釋放能量，補(bǔ)償風(fēng)電功率的不足，Pwhole＞0。風(fēng)電場(chǎng)輸出功率經(jīng)調(diào)節(jié)后輸出曲線如圖6所示。

圖4 實(shí)際風(fēng)電功率曲線

圖5 儲(chǔ)能系統(tǒng)平抑總功率

圖6 調(diào)節(jié)后風(fēng)電場(chǎng)功率輸出曲線

由圖可見，通過儲(chǔ)能系統(tǒng)快速、精確地功率吞吐，風(fēng)電場(chǎng)輸出功率調(diào)節(jié)后穩(wěn)定于1.5 MW，即平穩(wěn)地跟蹤了發(fā)電指令，波動(dòng)大小為1.4%，證明了控制方法的有效性。

在儲(chǔ)能系統(tǒng)整個(gè)工作過程中，蓄電池和超級(jí)電容工作情況如圖7、8所示。

由圖7可以看出：當(dāng)超級(jí)電容端電壓Ucap處于最優(yōu)工作區(qū)域［450 700］內(nèi)時(shí)，蓄電池充放電電流為0，蓄電池停止充放電，系統(tǒng)中超級(jí)電容器單獨(dú)工作，完成對(duì)風(fēng)電波動(dòng)功率的平抑；當(dāng)超級(jí)電容器的端電壓大于700 V時(shí)，蓄電池充放電電流為－1 200 A，處于充電狀態(tài)，系統(tǒng)將超級(jí)電容器的能量向蓄電池反向轉(zhuǎn)移，直到超級(jí)電容端電壓降低到580 V為止；當(dāng)超級(jí)電容器端電壓小于450 V時(shí)，蓄電池充放電電流為1 200 A，處于放電狀態(tài)，系統(tǒng)將蓄電池中能量向超級(jí)電容中轉(zhuǎn)移，直到超級(jí)電容端電壓上升到580 V為止。

圖7 超級(jí)電容端電壓曲線

圖8 蓄電池充放電電流波形

如圖8所示，在系統(tǒng)仿真10 min內(nèi)，蓄電池充放電時(shí)間為110 s，在大部分時(shí)間內(nèi)儲(chǔ)能系統(tǒng)通過超級(jí)電容來完成功率吞吐，有效地減少了蓄電池充放電次數(shù)，可以延長(zhǎng)使用壽命，從而降低儲(chǔ)能系統(tǒng)的維護(hù)成本。

5 結(jié)束語

本文對(duì)風(fēng)電波動(dòng)功率進(jìn)行分解，針對(duì)分解后的功率特點(diǎn)選擇儲(chǔ)能元件并設(shè)計(jì)了混合儲(chǔ)能系統(tǒng)，利用儲(chǔ)能系統(tǒng)對(duì)波動(dòng)功率進(jìn)行平抑控制仿真。仿真結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的混合儲(chǔ)能系統(tǒng)可以與風(fēng)電場(chǎng)進(jìn)行精確的功率交換，對(duì)風(fēng)電波動(dòng)功率進(jìn)行平抑處理，使得風(fēng)電場(chǎng)的實(shí)際功率輸出能夠平穩(wěn)地跟蹤發(fā)電指令，有利于電網(wǎng)的穩(wěn)定性。

［1］葉杭冶.風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)、運(yùn)行與維護(hù)［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2011：30-31.

［2］李娜，許平.變速變槳距雙饋風(fēng)力發(fā)電技術(shù)研究［J］.機(jī)械制造與自動(dòng)化，2014（1）：180-182.

［3］王開艷.清潔能源優(yōu)先的風(fēng)—水—火電力系統(tǒng)聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度［J］.中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2013（5）：3-4.

［4］胡慶有.含大規(guī)模風(fēng)光互補(bǔ)電力的電力系統(tǒng)動(dòng)態(tài)經(jīng)濟(jì)調(diào)度研究［D］.成都：西南交通大學(xué)，2013：16-17.

［5］李蓓，郭劍波.平抑風(fēng)電功率的電池儲(chǔ)能系統(tǒng)控制策略［J］.電網(wǎng)技術(shù)，2012（8）：39-40.

［6］向榮，王曉茹.基于飛輪儲(chǔ)能的并網(wǎng)風(fēng)電場(chǎng)有功功率頻率控制方法研究［J］.系統(tǒng)科學(xué)與數(shù)學(xué)，2012（4）：19-21.

［7］閆廣新，王凱.超導(dǎo)儲(chǔ)能裝置應(yīng)用于風(fēng)電場(chǎng)平滑功率輸出的研究［J］.四川電力技術(shù)，2014（1）：77-78.

［8］張靠社，李瓊.超導(dǎo)儲(chǔ)能系統(tǒng)提高風(fēng)電場(chǎng)暫態(tài)穩(wěn)定性研究［J］.電網(wǎng)與清潔能源，2011（1）：72-75.

［9］郭學(xué)英，鄭建勇，徐友.基于超級(jí)電容儲(chǔ)能的風(fēng)電并網(wǎng)功率調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)［J］.可再生能源，2011（2）：28-29.

［10］李霄，胡長(zhǎng)生，劉昌金，等.基于超級(jí)電容儲(chǔ)能的風(fēng)電場(chǎng)功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)建模與控制［J］.電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2009，33（9）：86-90.

A method for balancing the fluctuation of w ind power by hybrid energy storage system

TIAN Kai，XU Changkui
College of Automation，Harbin Engineering University，Harbin 150001，China

Due to the random changes in wind speed，the fluctuation of the output power of wind farm is large，which may affect the stability of power system when wind farm ismerged into a grid.A method for balancing fluctu-ant wind powerwas proposed to solve this problem.Thismethod is based on a hybrid energy storage system.Firstly，the fluctuation power of wind power output is decomposed，then according to the characteristics of the fluctuating power，a battery and a super capacitor are taken as the energy storage device；secondly，the operation controlmode of the energy storage system is designed，which can exchange power precisely and efficiently with wind power sys-tem，so as tomake the output power ofwind farm track the power-generating command；finally，a simulation is car-ried out under the environment of Matlab／Simulink.The simulation shows that themethod can effectively stabilize the fluctuating output power of thewind farm，make the output power ofwind farm track the power-generating com-mand stably，and the battery and the super capacitor bring into play their own advantages，therefore extending the service life of battery.

wind power；hybrid energy storage；battery；super capacitor；power suppression

TM464

A

1009-671X（2015）02-013-04

10.3969／j.issn.1009-671X.201408011

2014-08-29.

日期：2015-03-25.

田凱（1972-），男，副教授；徐長(zhǎng)奎（1988-），男，碩士研究生.

徐長(zhǎng)奎，E-mail：ai05518＠126.com.

http：／／www.cnki.net／kcms／detail／23.1191.u.20150325.1259.013.html